本文關鍵詞：Ka波段—多模式亳米波雷達功率譜數(shù)椐處理方法及云內大氣垂直速度反演研究

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【摘要】：云的觀測和研究對天氣預報、氣候預測和人工影響天氣具有重要意義。近年來,毫米波雷達快速發(fā)展并成為了云觀測的主要設備。2013年,中國氣象科學研究院參與研制出了國內第一部固態(tài)發(fā)射機、多觀測模式體制的Ka波段毫米波雷達,并于2014~2015年夏季,在我國華南地區(qū)和青藏高原地區(qū)開展了科學觀測,獲取了大量的寶貴資料。論文對這部雷達的功率譜數(shù)據(jù)處理方法、測云能力、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)質量控制方法和青藏高原積云內的大氣垂直速度反演方法開展了研究。主要的研究內容和結論包括:(1)著重介紹了這部Ka波段毫米波雷達的系統(tǒng)特點、技術指標、信號處理技術和觀測模式,并采用信噪比和信號源的方法對雷達進行定標。結果表明,這部毫米波雷達靈敏度較高,5km最小可測回波達-39.5d BZ。設計的三種觀測模式聯(lián)合運行不僅可以保證對不同云類探測的全面性,同時還保證了數(shù)據(jù)的可靠性。雷達水平和垂直2個通道信號輸入和輸出的線性度非常高,定標準確性良好。(2)研究了毫米波雷達功率譜數(shù)據(jù)的處理方法,包括功率譜數(shù)據(jù)模擬方法、噪聲電平計算準確性評估、云信號識別方法和譜矩計算,并引入了譜偏度和峰度兩個譜形態(tài)物理量。結果表明,卷云、邊界層、降水三個模式的譜寬在2m/s、1m/s和4m/s以下時,噪聲電平計算誤差都很小,多觀測模式的設計可避免噪聲電平嚴重高估的問題。從噪聲電平計算的準確性、穩(wěn)定性和適應性來看,分段法是最優(yōu)的選擇。譜偏度和峰度的正負變化可以反映云內滴譜和相態(tài)的變化,在冰云增長和云降水轉化過程中,它們是實用的指標。(3)從理論計算和利用多種波長雷達數(shù)據(jù)研究了毫米波雷達的測云能力和數(shù)據(jù)質量。結果表明,這部雷達理論上對弱回波的探測能力和實際統(tǒng)計結果十分吻合。對于強的回波,粒子半徑在0.6~1.24mm時,米散射會使回波偏強0~1.21d B;粒子半徑大于1.24mm開始,米散射使雷達回波嚴重偏弱,半徑越大偏弱越多。毫米波雷達在云的結構、形態(tài)和強弱分布上與其他儀器十分一致,但靈敏度高的優(yōu)勢明顯,能識別到更低的云底、更高的云頂、探測到更多云量。毫米波雷達與其他儀器,探測高層云時,回波強度平均誤差不超過0.5d B,速度誤差為0.1m/s,譜寬誤差不超過0.1m/s。探測強積云時,米散射使回波強中心偏弱0~4d B,速度平均誤差為0.2m/s,譜寬誤差不超過0.2m/s。探測弱降水云時,回波強度超過27d BZ開始回波逐漸偏弱,亮帶可偏弱3d B左右,速度誤差不大,譜寬誤差不0.1m/s信號與其他雷達基本一致,云頂信號在探測強積云時有一定衰減,米散射可使大粒子的信號偏弱。譜的回波強度概率分布、雙峰和三峰結構與其他儀器較為一致。考慮到不同雷達在波束寬度、受風切變和湍流影響的差異,認為毫米波雷達的數(shù)據(jù)質量較為可靠。(4)研究了Ka波段毫米波雷達的速度模糊、低空浮游物雜波、噪點-徑向干擾雜波的數(shù)據(jù)質量控制方法,并用實例對效果進行了檢驗和分析。結果表明,提出的速度退模糊方法效果良好,15個不同云過程個例的退模糊成功率都達到了100%。利用統(tǒng)計得到的回波強度-退偏振比雙閾值可以100%/97.84%濾除華南/青藏高原地區(qū)的浮游物雜波。(5)利用這部雷達多種觀測模式的功率譜研究了青藏高原積云內的大氣垂直速度反演方法。利用回波的前后變化、平均速度的正速度區(qū)位置、譜寬大值區(qū)位置、強回波位置、下落速度和回波強度關系等分析了反演的大氣垂直速度,結果表明,反演的結果較為合理可靠。在反演精度上,對于不是太強的淡積云和積云,反演誤差可控制在相應觀測模式的速度分辨率之內,低層弱積云的誤差最小,而強積云誤差會稍大,但相比大氣垂直速度來講,誤差可控制在一個數(shù)量級以下。利用Z-0ω關系從理論上對方法結果進行了初步檢驗,結果表明,方法反演結果基本與理論推導的基本一致。
【學位授予單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P412.25

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本文編號：1266030